Modul 7-10 Modul 7-10: Rumfart og afstande i Universet Kort rids af rumfartens historie Den første astronaut i rummet var Juri Gagarin, men længe før hans rumfærd var der mange, der forestillede sig, at man kunne rejse til månen. Det er dog vigtigt, at man er bevidst om opsendelsen. Fantasien kommer altid før virkeligheden. Allerede 100 år før den første månelanding, skrev den berømte franske forfatter Jules Verne om en rejse til Månen. Dengang kendte man kun til raketter med en rækkevidde på nogle få hundrede meter. Affyringen foregik med en kæmpe kanon, og det ved vi i dag ville ende galt, for astronauterne ville blive udsat for en acceleration på 20.000 G (ville svare til at få lagt en sten på 2 mio. kg oven på sig). Drømmen om at rejse til månen For at rejse til Månen, kræves nemlig at raketten opnår en fart på mindst 11 km/s, og den fart skulle kapslen have inden den forlod kanonmundingen. Det vidste Jules Verne udmærket, men han mente at astronauterne ville overleve, fordi det foregik på en brøkdel af et sekund. I dag mener man at den højeste G-påvirkning et menneske nogensinde har overlevet er 147G. Det opstod, da en formel 1 bil forulykkede. Acceleration er et mål for hvor hurtigt noget ændre hastighed. Hastighed og fart er i store træk det samme. Når hastigheden ikke stiger, men falder, kalder man det for at de-acceleration. I 1950 var Tintin på månen. Den berømte tegneserie er også filmatiseret. Allerede året før var der rumkapløb i Andeby, hvor Anders And og hans 3 nevøer var de første ænder på Månen. Bogstavet g står for den acceleration et frit legeme får, når det udsættes for Jordens tyngdekraft. Når du springer ud fra 3-meter vippen, accelererer din krop mod vandet med 1 g. Hvis en bil accelererer med 1 g, svarer det til at den kan nå fra 0 til 100 km/t på 2,8 s. G-påvirkningen er et udtryk for den kraft, der påvirker dig under acceleration, og fortæller hvor meget din krop føles at veje under accelerationen. Er G-påvirkning på 2, føler du din krop veje det dobbelte. I et frit fald, som ved udspring fra vippe, føler du dig vægtløs i luften, d.v.s. at G-påvirkningen er 0, men hvis du accelererer i en bil med 1 G, føler du dig presset tilbage i sædet, med en kraft der er lige så stor som den tyngdekraft der presser dig ned i sædet.
Sovjet-unionens Sputnik satelitter Det var først i 1957, at rumalderen rigtig startede. Sovjet-russerne sendte den første satellit i kredsløb om Jorden, med en raket der kunne nå 200 km over jordens overflade og sende satellitten i kredsløb. Sputnik 1 kom som et chok for USA, der troede at de var foran med alle teknologiske fremskridt. Sputnik 2 blev opsendt kun en måned efter og havde med sig en hund Lajka, og nu fik amerikanerne for alvor travlt, for det var jo et tegn på at Sovjet planlagde at sende en bemandet raket af sted. Men Amerikanerne havde svært ved at få deres raketter til at fungere ordentligt, den første de prøvede, eksploderede på Jorden, og de efterfølgende Pioneer-raketter fungerede heller ikke ordentligt. Sovjet fortsatte ufortrødent, allerede i 1959 sendte de Lunik 1 forbi Månen, Lunik 2 landede på månen, og Lunik 3 blev bragt i kredsløb, så man første gang så billeder fra Månens skjulte bagside. USA s store Apollo-projekt I 1961 sendte Sovjet så Juri Gagarin ud i rummet, hvor han foretog en enkelt jordomrejse, og landede sikkert igen. Han blev en folkehelt, ikke kun i Sovjet, og amerikanerne var for alvor sat i skammekrogen. Alt var sat i scene for det første menneske på Månen, alle forventede at han ville være en sovjet-russer, men sådan skulle det ikke gå. Sovjet var som et kommunistisk land, fuldstændig lukket. Ingen vidste hvad der foregik, da det man idag kalder den kolde krig var startet kort tid efter den 2. verdenskrig. J. F. Kennedy, USA s præsident, erklærede allerede i 1961, at det var deres plan at landsætte en mand på Månen i samme årti. USA gik derefter i gang med at planlægge et kolossalt kostbart projekt, som fik navnet Apollo-projektet, opkaldt efter en af de gamle græske guder. Raketten de benyttede kaldtes for Saturn 5, og den viste sig at være langt mere stabil end Pioneer-raketten. Sovjets planer kendte ingen, undtagen deres øverste ledelse, men ingen var i tvivl om, at de var længder foran USA. Måske var det for kostbar en operation, måske forsøgte de uden held at sende en bemandet raket af sted, men ingen ved, hvad der er foregået. Da de mod slutningen af 60-erne indså, at kapløbet var tabt og at USA ville blive de første på Månen, satsede de i stedet på et helt andet projekt: etablering af en rumstation. Samarbejde om rumfart Efter den første månelanding, som alle kender, fortsatte USA deres måneprojekt de efterfølgende 3 år med endnu 5 månelandinger, som alle havde et videnskabeligt indhold. Men folk mistede efterhånden interessen, og USA havde ikke mange penge under den kostbare Vietnam-krig, så hele Apollo-projektet blev skrinlagt, uden at de sidste planlagte rejser blev gennemført. Den sidste Apollo mission blev Apollo 17. På Tycho Brahe Planetarium kan du se en månesten fra denne mission. Sovjet udbyggede gennem 80 erne deres rumstation Mir, der efter Murens fald, og den kolde krigs ophør, dannede udgangspunkt for det rumfarten i dag beskæftiger sig mest med: forskning på Den Internationale Rumstation, ISS. Det, der før foregik i konkurrence mellem USA og Sovjet, består nu af et samarbejde mellem mange lande, deriblandt det fælles europæiske samarbejde ESA. ISS har konstant mindst 6 astronauter i arbejde på rumstationen, og i efteråret 2015 sendes den første danske astronaut, Andreas Mogensen, op med en Soyuz-raket for at deltage i dette samarbejde. I gamle dage blev Rusland og nogle omkring liggende lande til sammen kaldt for Sovjet-unionen.
Sådan når Soyuz-rakketten ud i rummet For at en Soyuz-raket skal kunne nå ud i rummet (220 km over Jordens overflade) skal den accelerere fra 0 til 8 km/s på ca. 9 min. I starten er astronauterne kun udsat for en påvirkning på 1,5 g; raketten accelererer langsomt, omtrent som en formel 1 racer. Dens kolossale vægt (300 ton) betyder, at den ikke kan accelerere mere. Men raketten består af 3 trin, der efterhånden smides af, når de har brugt deres brændstof, så raketten bliver lettere og kan derfor accelerere mere. Astronauterne bliver maksimalt udsat for 3,5 g, før de når tophastigheden. Når alle 3 trin er smidt af efter at have løftet fartøjet til rigtig højde og bane, bliver hastigheden konstant og astronauterne oplever vægtløsheden. Hvis man sammenligner med Jules Vernes kanon, er påvirkningen ingenting, men den foregår over forholdsvis lang tid. Fig.: Soyuz-raket under transport. 1.trin består af de 4 bageste løfteraketter. 2. trin sidder bagest, mellem de 4, og 3. trin sidder i midten, mens selve rumfartøjet er den hvide forreste del. Raketterne bruger flydende brændstof og flydende 0xygen. I en kanon påvirkes astronauterne kun af en kraft i den tid de befinder sig i røret, og det drejer sig om kun om en brøkdel af et sekund, så G-påvirkningen bliver ekstrem. Derfor er Jules Vernes vision aldrig blevet til virkelighed - astronauterne ville aldrig have overlevet. Raketternes præcision styres af computere Affyringsstedet for Soyuz-raketten i Kasakhstan er velvalgt, fordi det her er muligt at sende rumfartøjet op i samme banehældning (den vinkel banen har i forhold til ækvator) som ISS. Det er kun højden, der mangler at blive justeret for at fartøjet kan sammenkobles med Rumstationen, der ligger noget højere. Jo længere oppe en satellit befinder sig, jo langsommere, skal den bevæge sig, for at holde sig i sin bane. Så fartøjet skal først tænde for raketten igen og ændre retning udad væk fra Jorden, og derefter sænke farten igen, så den bliver lidt lavere end før. Den præcision, som det kræver, styres selvfølgelig af computere, der udregner position og fart, og sender oplysninger til den elektronik, der styrer raketdysernes retning og forbrænding. Under de første opsendelser, foregik noget af den styring faktisk manuelt.
Hvorfor kom Sputnik opsendelserne som et chok for amerikanerne? Opsendelsen af hunden Lajka vakte dyreværnsfolks vrede, men hvorfor var det rent videnskabeligt klogt at gøre det? Hvorfor blev USA s Apollo-projekt opgivet? Hvornår oplever man G-påvirkning? Er der nogen steder man kan opleve G-påvirkninger der er højere end astronauternes 3,5 G? Hvorfor kunne Jules Vernes astronauter ikke have overlevet en opsendelse? Hvorfor er Soyuz-rakettens acceleration så langsom i starten? Prøv at se på denne videnskabelige lov (Newtons 2. lov): kraft = masse x acceleration Fortæller den noget om, hvorfor Soyuz-raketten accelererer langsomt i starten og derefter accelererer hurtigere? Lav en tegning (evt. en tegneserie) af Andreas Mogensens rejse med Soyuz-raketten til ISS (husk de 3 raket-trin).
Afstande i universet Rumstationen ISS Billedet her af Den Internationale Rumstation (ISS) viser rumstationen i sin bane rundt om Jorden idet den passerer Gibraltar-strædet med Spanien på højre hånd. Billedet fortæller lidt om afstanden til Jorden ud fra landenes størrelse og Jordens runding i horisonten. Man ser at rumstationens bane er langt højere end et flys og meget lavere end Månens bane. Hvert eneste sekund flyver den næsten 7,7 km. Det er lige netop den fart den skal have, for at holde sig i sin bane uden at falde ned på Jorden. Tyngdekraft og vægtløshed Den følger de samme love som Månen i sin bane om Jorden, og vil som Månen blive ved med at svæve der til evig tid, hvis farten holdes. Den vejer ca. 500 tons, men det har ingen betydning for dens fart, og den er med årene blevet udbygget med flere tons uden at det er nødvendigt at ændre farten. I virkeligheden bevæger den sig i et evigt frit fald mod Jorden, men dens vandrette bevægelse med en bestemt hastighed betyder, at den hele tiden falder ved siden af. Tyngdekraften er næsten den samme som på Jorden, så vægtløsheden, der opleves der, skyldes det frie fald. Hvis man befandt sig i en faldende elevator der var blevet cuttet i toppen af verdens højeste bygning, Burj Khalifa, ville følelsen være nøjagtig den samme de 13 sekunder, det ville tage, inden elevatoren ramte Jorden. Men ISS falder rundt om Jorden så hurtigt, at et omløb kun tager 1½ time. Fig.: T1 - Her er ISS til tiden. T2 - Her er ISS kort tid efter Hvem har mon taget billedet? Hvor mange gange hurtigere flyver ISS i forhold til et almindeligt fly?
Andreas Mogensens tur til ISS Det er jo bare en lille tur, Andreas Mogensen skal ud på, skulle man mene. Helt så simpelt går det nu ikke. Inden Andreas når op til ISS, skal han først sendes op fra Kasakhstan i en russiske Soyuz- raket og opleve sin krop veje næsten det firedobbelte under accelerationen, der bringer ham op i en fart af ca. 8 km/s. Her skal han rejse flere gange rundt om Jorden, mens modulet langsomt bringes i samme, højde og hastighed som ISS og sammenkoblingen kan foretages. Hvordan man rejser til Mars Bemandede rejser til Mars er allerede med nutidig raket-teknologi muligt, men som med Andreas rejse til ISS kan man ikke bare flyve den direkte vej, når Mars og jorden er tættest på hinanden. Raketten ville møde planeten med al for høj hastighed og fare lige forbi, eller blive knust mod Mars overflade. Når man skal rejse i rummet, gælder det om at medbringe så lidt brændstof som muligt. Hver gang raketten skal øge farten koster det kolossale mængder brændstof, og det samme når farten skal tages af den. Følg ISS live på ESA s hjemmeside og på www.planetariet.dk kan du se, hvornår ISS ses over udvalgte byer i Danmark. Selvom teknologien er der til at sende mennesker til Mars, så skal vi også huske, at de skal have mad, drikke mm. på hele turen. Det findes der ikke noget af i rummet, så der ligger nogle udfordringer i at finde det materiale. På Jorden går farten naturligt af en genstand i bevægelse på grund af luftmodstand og gnidning, men oppe i rummet eksisterer disse kræfter næsten ikke, så man må tænde for motorerne for at bremse. Men selve turen, når raketten har nået over farten 11 km/s koster ikke noget. Man kan slukke for motorerne og lade sig transportere med langsomt aftagende fart. Man har regnet ud, at det mest økonomiske ville være at følge den såkaldte Hohmann-bane. Her vil raketten møde Mars i en glidende bevægelse uden for stor hastighed i forhold til Mars. En lille justering af hastighed og retning, vil så kunne bringe den i omløb. Fig.: Hohmann-banen, der er den rute til Mars, der kræver mindst mulig energi
På rejse i solsystemet Planeten Venus Billederne af Venus er taget i 2002. Her ses det tydeligt, at Venus har faser ligesom Månen. På det øverste billede er Venus kun delvist belyst af Solen, dvs. vi ser den kun delvist belyst, ligesom vi en gang i mellem kun ser Månen delvist belyst. Man siger at den er i fase. Når Venus er fuldt belyst (den er fuld), som i bunden af billedet, er den længere væk, og den ser derfor mindre ud. Venus er det klareste himmellegeme om natten, bortset fra Månen, den lyser klarere end alle stjerner, og selv i en mindre kikkert, vil man kunne se den som en lille klode, ofte i fase. Venus er en af de 5 planeter, som vi kan se med det blotte øje. På www.planetariet.dk/himlen-netop-nu kan du finde ud af, om planeten Venus er synlig idag.
Fig.: Illustrationen viser Solsystemets inderste planeter i rigtig afstandsforhold. Afstanden fra Jorden til solen er ca. 150 mio. km, kaldet 1 Ae (astronomisk enhed). Se på illustrationen og svar på følgende spørgsmål: Hvor vil Venus befinde sig i sin bane når den er fuld? Er der steder, hvor vi ikke kan se den fra Jorden? Hvor vil den befinde sig i sin bane, når fasen er størst? (tænk på at Solen så vil skinne på den bagfra, så man kun kan se en lille skive af Venus fra Jorden)? Nu kan du måske finde ud af hvor Venus befandt sig i sin bane, da nogle af de andre billeder blev taget.
Modul 7-10: Rumfart og afstande i Universet Fig.: Her ses det ydre solsystem med rigtig afstandsforhold. Jorden er indsat i inderste bane - som synlig planet. Størrelsesforhold på planeterne er ikke korrekt ift. afstandene.
Vurder afstanden til Neptun i mio. km. Hvor langt er der til den nærmeste stjerne? 5 sonder opsendt fra Jorden har på nuværende tidspunkt allerede passeret Neptun. Voyager 1 & 2, Pioneer 10 & 11 samt New Horizons har alle rejst gennem solsystemet, nogle i omkring 40 år. En af Voyagaersonderne befinder sig nu udenfor vores solsystem. Alle sonderne medbringer guldplader med oplysninger om vores civilisation. Men der stadig er uhyggeligt langt til de nærmeste stjerner. Fakta om lysets hastighed Lyset bevæger sig med ca. 300.000 km hvert sekund. Hvert år bevæger det sig 9460 milliarder km. Det bruger man som en lændeenhed, når man regner afstande ud til stjernerne og kaldes lysår. Den nærmeste stjerne ligger ca. 4 lysår borte. Det vil tage sin tid, inden de 4 sonder når derud. Voyager 2 er den, der først forventes at nå ud blandt stjernerne om 40.000 år. Fig.: Solsystemet og den nærmeste stjerne, Alpha Centauri. Solsystemet er i virkeligheden meget mindre. Hvis du ganger afstanden ud til Neptun med 10.000, får du ca. afstanden til nærmeste stjerne Alpha Centauri.
Det, som øjet kan registrere Billedet her er taget af Hubble-teleskopet og viser en spiralgalakse, der vender næsten lodret mod Jorden. Lad os forestille os, at det er vores egen galakse, Mælkevejen, og at vi bor inde i centrum af den hvide, tegnede cirkel. Her ligger solsystemet og størrelsen af det vil ikke engang kunne aftegnes som en hvid prik, og den nærmeste stjerne befinder sig kun ca. 1/100 mm fra centrum. Når vi en nat går ud og kikker på stjerner, kan vi med det blotte øje se omkring 2.000 stjerner (når det er klart vejr, og man befinder sig ude på landet). Alle de stjerner vi kan se, befinder sig inden for den hvide cirkel, som har en radius på ca. 2000 lysår. Det er kun de aller mest lysstærke, der kan ses i en afstand af 2000 lysår, de fleste vil være for svage, til at øjet kan registrere dem. Alle stjerner der befinder sig uden for cirklen kan slet ikke opfattes af øjet som enkeltstjerner. Centrum af Mælkevejen Mælkevejen har altid været kendt, ikke som en galakse, men som en utydelig lysende stribe tværs over nattehimlen - ved klart vejr ude på landet. Galilei var den første, der i sin nybyggede kikkert i 1609 så, at Mælkevejen også bestod af enkeltstjerner. En galakse er meget stor samling af stjerner. Vores egen stjerne solen ligger i galaksen Mælkevejen. Selv ikke Hubble-teleskopet opfanger enkeltstjerner. Især centrum af galaksen ses nærmest som en kæmpesol, men består i virkeligheden af milliarder af stjerner. Udsynet til centrum af Mælkevejen (der kun kan ses på den sydlige halvkugle) er dækket af et støvlag, der spærrer for direkte observation med teleskop, men alligevel har man fundet ud af hvad der befinder sig der. Du kan evt. finde flere oplysninger på nettet om dette. Vurder ud fra størrelsen af den hvide cirkel hvor mange lysår, der er til centrum af Galaksen, og hvor bred den er.
Modul 7-10: Rumfart og afstande i Universet Længere ud i universet Billedet her viser universets udvikling i en tidslinje fra Big Bang for 13,8 milliarder år siden til i dag. Den fortæller ikke noget om universets form eller om afstande i universet. Men når Hubble-teleskopet, illustreret i øverste højre hjørne, rettes mod et lille udsnit af himlen, ser den så langt ud i universet, at den ser tilbage i universets tidlige fase, hvor de første stjerner samles i galakser for ca. 13 milliarder år siden. Fig.: Illustration af Big Bang. Rhys Taylor, Cardiff University Universet udvider sig med accelererende hastighed Billedets klokkeform illustrerer, at universets udvidelse, som man har kendt til siden 1930, foregår med accelererende hastighed. Dengang var det dog en teori, og de første tegn på at teorien var rigtig blev fundet af 3 amerikanske forskere for få år siden, og teorien er efterhånden accepteret af forskersamfundet. Er teorien rigtig, indebærer det eksistensen af en mystisk mørk energi, der modvirker tyngdekraftens virkning og blæser universet op. Det er dog kun afstanden mellem galakserne der bliver større, mens selve galakserne holder samme størrelse.
Modul 7-10: Rumfart og afstande i Universet Sådan fungerer forskningen ofte. Løsningen af et problem danner en vifte af nye ubesvarede spørgsmål. Men hvor mange galakser findes egentlig derude? Deep Field Dette er et fotografi af Hubble-teleskopet af det, der kaldes Deep Field. Forestil dig du har et super digitalt kamera med et meget langt objektiv, og at du har zoomet ind på et yderst lille område på himlen. Ret kameraet mod et sted på himlen, hvor der ikke er ret mange stjerner fra Mælkevejen, der generer udsynet. Lad nu kameraet stå åbent mod præcist samme sted på himlen i alt 11 dage uden at ryste på hånden (selvfølgelig kun om natten). I løbet af de 11 dage har milliarder af fotoner (lyspartikler) sat sit aftryk på den fotografiske plade og resultatet ses her. Hver eneste lysprik afsat er lys fra en galakse, nogle så langt væk, at lyset har rejst 13 milliarder år for at nå dit kamera. Altså må de være 13 milliarder lysår borte. Det er selvfølgelig et tænkt eksempel, selv det bedste kamera ville ikke kunne tage et sådan billede. Det kan kun Hubble-teleskopet. Forestil dig, at du kikker gennem et hul på 1 x 1 mm i et stykke papir rettet mod himlen holdt i strakt arm (1 meter). Hvis du var heldig, ville du kunne se en stjerne, højst sandsynlig ville du intet se. Hubble ser flere tusinde galakser, samt et par nære stjerner. Diskuter i klassen, hvordan man kan finde det omtrentlige antal galakser uden at skulle tælle dem alle (hver eneste lille lysplet på billedet er en galakse).